三自由度機械臂設(shè)計

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1、自由度機械手臂設(shè)計 姓名:蘇文杰 班級:機自4班 學號:24121901188 序號:24 2015年6月3日 三自由度機械手臂設(shè)計 用途:在當今大規(guī)模制造業(yè)中,企業(yè)為提高生產(chǎn)效率,保障產(chǎn)品 質(zhì)量,普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度,工業(yè)機器人作為自動化生產(chǎn) 線上的重要成員,逐漸被企業(yè)所認同并采用。工業(yè)機器人的技術(shù)水平 和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平,目前, 工業(yè)機器人主要承擔著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復性并且勞動 強度極大的工作,工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。 本文將設(shè)計一臺四自由度的工業(yè)機器人,用于給沖壓設(shè)備運送物料。 首先,本文將設(shè)計機器人的底座、大臂、小

2、臂和機械手的結(jié)構(gòu),然后 選擇合適的傳動方式、驅(qū)動方式,搭建機器人的結(jié)構(gòu)平臺;在此基礎(chǔ) 上,本文將設(shè)計該機器人的控制系統(tǒng),包括數(shù)據(jù)采集卡和伺服放大器 的選擇、反饋方式和反饋元件的選擇、端子板電路的設(shè)計以及控制軟 件的設(shè)計,重點加強控制軟件的可靠性和機器人運行過程的安全性, 最終實現(xiàn)的目標包括:關(guān)節(jié)的伺服控制和制動問題、實時監(jiān)測機器人 的各個關(guān)節(jié)的運動情況、機器人的示教編程和在線修改程序、 設(shè)置參 考點和回參考點。 該設(shè)計的目的是為了設(shè)計一臺物料搬運機器人,利用現(xiàn)有已經(jīng)報 廢的焊接機器人,本文的中結(jié)構(gòu)設(shè)計主要偏向于對原有機構(gòu)的改造和 機械手的設(shè)計。 動力源 采用電源 驅(qū)動方式 該機器人一共具

3、有四個獨立的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié), 連同末端機械手的運動,共 需要五個動力源。機器人常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、 氣壓驅(qū)動和電 機驅(qū)動三種類型。 機器人驅(qū)動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點,通常對機器人的驅(qū)動系統(tǒng)的要求有: 1) .驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕,單位質(zhì)量的輸出功率要高,效率也 要咼; 2) .反應(yīng)速度要快,即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動慣量比要大,能夠 進行頻繁地起、制動,正、反轉(zhuǎn)切換; 3) .驅(qū)動盡可能靈活,位移偏差和速度偏差要??; 4) .安全可靠; 5) .操作和維護方便; 6) .對環(huán)境無污染,噪聲要小; 7) .經(jīng)濟上合理,尤其要盡量減少占地面積。 基于上述驅(qū)動系統(tǒng)的特點和機器人驅(qū)動系

4、統(tǒng)的設(shè)計要求, 本文選用直 流伺服電機驅(qū)動的方式對機器人進行驅(qū)動。 傳動方式 由于一般的電機驅(qū)動系統(tǒng)輸出的力矩較小, 需要通過傳動機構(gòu)來增加 力矩,提高帶負載能力。對機器人的傳動機構(gòu)的一般要求有: (1) 結(jié)構(gòu)緊湊,即具有相同的傳動功率和傳動比時體積最小,重量 最輕; (2) 傳動剛度大,即由驅(qū)動器的輸出軸到連桿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸在相同的 扭矩時角度變形要小,這樣可以提高整機的固有頻率,并大大減輕整 機的低頻振動; (3) 回差要小,即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時空行程要小,這樣可以得到較高 的位置控制精度; (4) 壽命長、價格低。 本文所選用的電機都采用了電機和齒輪輪系一體化的設(shè)計,結(jié)構(gòu)緊 湊,具

5、有很強的帶負載能力,但是不能通過電機直接驅(qū)動各個連桿的 運動。為減小機構(gòu)運行過程的沖擊和振動,并且不降低控制精度,采 用了齒形帶傳動。 齒形帶傳動是同步帶的一種,用來傳遞平行軸間的運動或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運動 轉(zhuǎn)換成直線運動,在本文中主要用于腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的傳動。 齒輪帶的傳動比計算公式為 i =門 2 / m z2 齒輪帶的平均速度Va為 va = z t 口 = z2 t n2 制動器 制動器及其作用: 制動器是將機械運動部分的能量變?yōu)闊崮茚尫牛?從而使運動的機械速 度降低或者停止的裝置,它大致可分為機械制動器和電氣制動起兩 類。 在機器人機構(gòu)中,學要使用制動器的情況如下:

6、 特殊情況下的瞬間停止和需要采取安全措施 停電時,防止運動部分下滑而破壞其他裝置。 機械制動器: 機械制動器有螺旋式自動加載制動器、 盤式制動器、閘瓦式制動 器和電磁制動器等幾種。其中最典型的是電磁制動器。 在機器人的驅(qū)動系統(tǒng)中常使用伺服電動機, 伺服電機本身的特性 決定了電磁制動器是不可缺少的部件。 從原理上講,這種制動器就是 用彈簧力制動的盤式制動器,只有勵磁電流通過線圈時制動器打開, 這時制動器不起制動作用,而當電源斷開線圈中無勵磁電流時, 在彈 簧力的作用下處于制動狀態(tài)的常閉方式。因此 這種制動器被稱為無勵磁動作型電磁制動器。 又因為這種制動器常用 于安全制動場合,所以也稱為安全

7、制動器。 電氣制動器 電動機是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置, 反之,他也具有將旋轉(zhuǎn)機 械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電功能。換言之,伺服電機是一種能量轉(zhuǎn)換裝置, 可將電能轉(zhuǎn)換為機械能,同時也能通過其反過程來達到制動的目的。 但對于直流電機、同步電機和感應(yīng)電機等各種不同類型的電機, 必須 分別采用適當?shù)闹苿与娐贰? 本文中,該機器人實驗平臺未安裝機械制動器,因此機器人的肩 關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)在停止轉(zhuǎn)動的時候,會因為重力因素而下落。另外,由 于各方面限制,不方便在原有機構(gòu)上添加機械制動器,所以只能通過 軟件來實現(xiàn)肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)的電氣制動 采用電氣制動器,其優(yōu)點在于:在不增加驅(qū)動系統(tǒng)質(zhì)量的同時又 具有制動功能,這是非常理想的情況,而在機器人上安裝機械制動器 會使質(zhì)量有所增加,故應(yīng)盡量避免。缺點在于:這種方法不如機械制 動器工作可靠,斷電的時候?qū)⑹ブ苿幼饔谩?

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